JP4060696B2

JP4060696B2 - 光送信モジュール

Info

Publication number: JP4060696B2
Application number: JP2002362377A
Authority: JP
Inventors: 智一田中; アントニークライタス; 大雄松江; 英樹村川; 督畑農
Original assignee: 日本オプネクスト株式会社
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: US7035302B2; JP2004193489A; US20040114650A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光送信モジュールに係り、特に、光通信システム用の送信回路におけるレーザダイオード駆動回路の回路方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来公知の光送信モジュールとしては、入力電圧信号を受けて波形整形する差動増幅器と、この差動増幅器の出力信号を受けてレーザダイオードを駆動する為の変調電流を発生する差動型電流スイッチと、この差動型電流スイッチの電流振幅を変える可変電流源と、このレーザダイオードに直流バイアス電流を供給するバイアス電流源で構成され、このうち可変電流源はレーザダイオードの光出力電力の設定や発光効率特性に応じて調整されるものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
この従来の光送信モジュールを図２に示す。
図２は従来の光送信モジュールの回路図である。図２に示した光送信モジュールでは、レーザダイオード２００をレーザ駆動回路２０８の直近に配置した構成となっている。トランジスタＴＲ１、ＴＲ２で差動電流スイッチ２０６を構成し、この差動電流スイッチ２０６の入力端子２０４、２０５より入力された差動信号電圧によって、差動型電流スイッチ２０６を駆動する。変調電流源２０７より供給される電流を差動型電流スイッチ２０６によって、抵抗２０３およびレーザダイオード２００に振り分け、入力信号に従いレーザダイオード２００を変調駆動する。
【０００４】
さらに、バイアス電流源２０２により、レーザダイオード２００にバイアス電流を供給する。信号電流の漏洩を防ぐため、バイアス電流源２０２とレーザダイオード２００間にはバイアスティ２０１を挿入する。
本回路形式を用いて、レーザダイオード２００を高速変調するには、信号電流の反射による波形劣化を防ぐため、レーザダイオード２００を信号波長よりも十分に近い位置に配置することが不可欠である。また、高速な電流変化時の配線のインダクタンスによる電圧降下を防ぐため、非常に低いインダクタンスの配線が必要となる。これは、高速信号になればなるほど実装が困難になることを意味し、高速変調の必要な光モジュールに本回路を用いると、高精度の精密な実装が必要となり、高価な光モジュールとなる。
また、発熱源が密集しているため、レーザ駆動回路２０８およびレーザダイオード２００により発生した熱を効率的に放熱することが困難である。
【０００５】
次に、図３を用いて、より簡易に実装可能な光送信モジュールについて説明する。
図３は従来の光送信モジュールの他の例を示す回路図である。本光伝送モジュールでは、レーザ駆動回路３１２とレーザダイオード３００間の配線をインピーダンスコントロールされた高周波伝送線路としたものである。伝送線路３０４端での信号電流の反射を防ぐため、終端抵抗３０３をレーザダイオード３００と伝送線路３０４間に挿入している。
バイアス電流源３０２からローパスフィルタ３０１を通してレーザダイオード３００にバイアス電流を供給する。バイアス電流による電圧降下が差動型電流スイッチ３０８に影響を及ぼすのを防ぐため、伝送線路３０４にコンデンサ３０５を挿入する。
差動型電流スイッチ３０８のバイアス電圧を確保するため、電源電圧と差動型電流スイッチ３０８のトランジスタＴＲ２の間に抵抗３０６を挿入する。また、レーザダイオード３００に供給される電流波形のバランスを保つために、電源電圧とトランジスタＴＲ１の間に抵抗３０７を挿入する。
【０００６】
本構成を用いることにより、レーザと駆動回路を離れた位置に配置することが可能となり、簡易かつ安価な実装によって高速なレーザダイオード駆動が可能となる。即ち、本構成においては、レーザ駆動回路３１２とレーザダイオード３００を至近距離に配置する必要がなく、レーザダイオード３００のみをパッケージ化し、送信サブアセンブリとすることができるので、安価且つ容易に実装することができる。
反面、本回路を用いた場合、伝送線路３０４を終端するためレーザダイオード３００に直列に抵抗３０３を挿入する。この抵抗は伝送線路の設計上の限界により一般的に２５〜５０Ω程度であり、レーザダイオードの抵抗値と比べ、大きな抵抗値となる。この抵抗のため、レーザダイオードを駆動した際、差動型電流スイッチ３０８出力端において生じる電圧降下が大きくなる。差動型電流スイッチ３０８、電流源３１１が正常に動作するためにはあるバイアス電圧を必要とするため、良好な波形を得るには、差動電流スイッチのトランジスタＴＲ２出力端の電圧は常に一定電圧以上を保ち駆動されなければならない。よって、本方式によってレーザを駆動する際、この電圧降下を補うため、先の図２の方式と比べ高い電源電圧が必要とされる。
また、差動電流スイッチ３０８の供給する電流の約半分が抵抗３０６にて消費されるため、変調電流源３１１はレーザダイオード３００に流入する電流の２倍の電流を必要とする。このため、レーザ駆動回路３１２の消費電流が図２の方式と比べ倍増する。
【０００７】
さらに、レーザダイオード等を、作動信号を用いて、双方向駆動することに関連する従来技術は種々知られている（特許文献２）、（特許文献３）、（特許文献４）、（特許文献５）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−２１８５４３号公報
【特許文献２】
特開平０７−３３４８５９号公報
【特許文献３】
特開２００１−０１５８５４号公報
【特許文献４】
特開２００１−１１１１６７号公報
【特許文献５】
特開２００２−２７７８４０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、図２の従来例では、高速なレーザ変調を行う際、複雑かつ高価な装置となり、また、発熱源が密集しているので、熱を効率的に放熱することが難しくなる。
また、図３の従来例では、安価かつ簡易に実装できるものの、駆動電流による電圧降下が増大するため、高い電源電圧が必要とされ、さらに消費電力が増大する。
しかしながら、近年光伝送装置の小型化に伴い、安価でかつ低電圧、低消費電力のレーザダイオード駆動回路が求められている。
【００１０】
本発明の目的は、従来の欠点を解決し、簡単に実装が可能で、電源電圧が小さく、消費電力の少ない高速レーザ駆動技術を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、光送信モジュールは、レーザ光を発生するレーザダイオードと、前記レーザダイオードに変調電流を供給するために、第１のスイッチと第２のスイッチを備えた差動型電流スイッチとを備え、前記レーザダイオードの一端と前記第１のスイッチを伝送線路およびコンデンサを介して接続し、前記レーザダイオードの他端と前記第２のスイッチとを伝送線路およびコンデンサを介して接続し、差動型電流スイッチ各出力端と電源間に抵抗を接続して伝送線路を終端することによって、前記レーザダイオードを変調する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、実施例を用い、図を参照して説明する。
図１は本発明による光送信モジュールの一実施例を示す概略の回路図である。まず、レーザダイオード１００の交流等価抵抗値が伝送線路１０５、１０６の特性インピーダンスよりも十分小さい場合について回路の動作を説明する。図において、入力端子１１２、１１３より入力される差動電圧入力信号を受けて差動型電流スイッチ１１１が駆動される。これにより、変調電流源１１４の供給する電流は、伝送線路１０６、または伝送線路１０５へとスイッチングされる。即ち、差動型電流スイッチ１１１のトランジスタＴＲ１を通過する電流は、図４に示した様に、抵抗１１０、トランジスタＴＲ１及び変調電流源１１４を流れる電流１と、抵抗１０９、コンデンサ１０７、伝送線路１０６、レーザダイオード１００、伝送線路１０５、コンデンサ１０８、トランジスタＴＲ１及び変調電流源１１４を通して流れる交流電流２とがある。このとき伝送線路１０６を流れる電流２は抵抗１０９によって終端され、信号電流の反射がレーザダイオード１００に流入するのを防ぐ。同様に、トランジスタＴＲ２を通過する電流は、抵抗１０９、トランジスタＴＲ２及び変調電流源１１４を流れる電流と、インピーダンス整合素子１１０、コンデンサ１０８、伝送線路１０５、インピーダンス整合回路１０４、レーザダイオード１００、インピーダンス整合回路１０４、伝送線路１０６、コンデンサ１０７、トランジスタＴＲ２及び変調電流源１１４を通して流れる電流とがある。このとき、伝送線路１０５を流れる後者の電流は抵抗１１０によって終端され、信号電流の反射がレーザダイオード１００に流入するのを防ぐ。
このように、伝送線路１０５、１０６は差動型電流スイッチ１１１の駆動した信号電流をレーザダイオード１００に伝送し、抵抗１０９、１１０によって終端される。
【００１３】
レーザダイオード１００の交流等価抵抗が大きい場合、ＴＲ１によって駆動した電流の一部がレーザダイオード１００と線路１０５の間で、ＴＲ２によって駆動した電流の一部がレーザダイオード１００と線路１０６の間で反射される。しかしながら、この反射は全周波数域にわたって均一に起こり、振幅は落ちるものの、レーザ波形には影響を及ぼさない。また、レーザダイオード１００が容量的・誘導的な成分を多く持ち、純抵抗とみなせない場合、レーザダイオード１００に直列に小さな抵抗を挿入することによって、波形の劣化を防ぐことが可能である。
【００１４】
本実施例では、伝送線路１０５、１０６双方の信号電流を阻害せずにレーザダイオード１００にバイアス電流を供給するため、レーザダイオード１００の両端にバイアスティ１０１、１０２を介して電流源１０３を接続する。また、バイアス電流によって生じる電圧降下により、差動型電流スイッチ１１１の駆動電圧が不足することを防ぐため、コンデンサ１０７、１０８をそれぞれ伝送線路１０５、１０６に挿入する。
本実施例では、レーザダイオード１００と駆動回路１１５間をインピーダンス整合された伝送線路１０５、１０６で接続することができるため、レーザダイオード１００と駆動回路１１５を離れた位置に実装することができ、精密な実装を必要とせず簡易な実装が可能となる。
【００１５】
また、本実施例では、レーザダイオード１００が双方向に変調されるため、変調電流源１１４の電流を効率良くレーザダイオード１００に供給することができる。本実施例における、レーザダイオード１００における変調電流振幅Ｉｍｏｄと変調電流源１１４における電流量Ｉｍｏｄｓｏｕｒｃｅの関係を（数１）に示した。ただしＲｌｄはレーザダイオード１００の交流等価抵抗とする。
【００１６】
【数１】

ここで一例として、Ｒｄ＝５０Ω、Ｒｌｄ＝１０Ω、Ｉｍｏｄ＝３０ｍＡとすると、（数１）よりＩｍｏｄｓｏｕｒｃｅ＝３３ｍＡとなる。図２で示した従来例の場合、同条件においてＩｍｏｄｓｏｕｒｃｅ＝６０ｍＡとなり、大幅な消費電力の減少が見込めることが分かる。
【００１７】
また、レーザダイオードに直列に整合抵抗を挿入しないため、差動電流スイッチ１１１の出力端での電圧降下が減少し、より低い電源電圧でレーザダイオード１００を駆動することができる。前述したように、差動型電流スイッチ１１１と変調電流源１１４を正常動作させるにはあるバイアス電圧が必要となる。この電圧と電源電圧の差をＶｈｅａｄｒｏｏｍとするとき、本実施例におけるＶｈｅａｄｒｏｏｍとＩｍｏｄの関係は（数２）によって表される。
【００１８】
【数２】

一例として、Ｒｄ＝５０Ω、Ｒｌｄ＝１０Ω、Ｉｍｏｄ＝３０ｍＡとすると、駆動に必要なＶｈｅａｄｒｏｏｍは１．５７５Ｖとなる。図２で示した従来例の場合、同条件においてＶｈｅａｄｒｏｏｍは２．２５Ｖ必要であり、本実施例では大幅に低電圧化が可能であることが分かる。
【００１９】
さらに、レーザ駆動回路１１５とレーザダイオード１００間を輻射効率の低い差動伝送線路で接続することにより、駆動回路１１５とレーザダイオード１００間に逆相の交流電流が流れるため、電磁放射も逆相となり、両者の電磁放射は打ち消されるので、電磁放射を抑え、ＥＭＩ（ＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）を低減することが可能となる。
【００２０】
図５は本発明による光送信モジュールの他の実施例を示す回路図である。本実施例は先の実施例に加えて、レーザダイオード端での反射を抑制する整合抵抗を追加したものである。
本実施例において、抵抗４０４、４０５がレーザダイオード両端に接続される。この抵抗４０４、４０５の抵抗値Ｒｓは、（数３）によって決定する。
【００２１】
【数３】

本方式によっても先の実施例と同様の効果を得ることが可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、簡易な実装によって、低電圧、低消費電力、低ＥＭＩの光送信モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光送信モジュールの一実施例を示す概略の回路図である。
【図２】従来の光送信モジュールの回路図である。
【図３】従来の光送信モジュールの他の例を示す回路図である。
【図４】図１に示すレーザ駆動回路のトランジスタＴＲ１の駆動電流の経路を示した回路図である。
【図５】本発明による光送信モジュールの他の実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００、５００…レーザダイオード、１０１、１０２、２０１、３０１、５０１…バイアスティ、１０３、２０２、３０２、５０３…バイアス電流源、１０５、１０６、３０４、５０５、５０６…伝送線路、１０７、１０８、３０５、５０７、５０８…コンデンサ、１０９、１１０、３０３、３０６、３０７…抵抗、１１１、２０６、３０８、５１１…差動型電流スイッチ、１１２、１１３、２０４、２０５、３０９、３１０、４１５…入力端子、１１４、２０７、３１１、５１４…変調電流源、１１５、２０８、３１２、４１８、５１５…レーザ駆動回路、２０３…抵抗。

Claims

レーザ光を発生するレーザダイオードと、前記レーザダイオードに変調電流を供給するために、各々１つのバイポーラトランジスタによる第１のスイッチと第２のスイッチを備えた差動型電流スイッチとを備え、
前記レーザダイオードのアノード側と前記第１のスイッチのコレクタ端子とを接続して第１の変調電流を供給し、前記レーザダイオードのカソード側と前記第２のスイッチのコレクタ端子とを接続して第２の変調電流を供給することによって、前記レーザダイオードのアノード側およびカソード側の双方向から変調する光送信モジュールであって、
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの各々のコレクタ端子と電源電圧との間に直列にインピーダンス整合素子を接続し、
前記レーザダイオードのアノードと前記第１のスイッチの間に第１の伝送線路を接続し、
前記レーザダイオードのカソードと前記第２のスイッチの間に第２の伝送線路を接続し、
前記第１の伝送線路に第１のコンデンサを直列に接続し、
前記第２の伝送線路に第２のコンデンサを直列に接続する
ことを特徴とする光送信モジュール。
請求項１記載の光送信モジュールにおいて、前記レーザダイオードの両端に接続されたバイアスティを設け、前記バイアスティを介して前記レーザダイオードにバイアスを与えることを特徴とする光送信モジュール。
請求項１または２記載の光送信モジュールにおいて、前記レーザダイオードのアノード側と前記第１の伝送線路間に第１のインピーダンス整合回路を設け、前記レーザダイオードのカソード側と前記第２の伝送線路間に第２のインピーダンス整合回路を設け、前記第１、第２の伝送線路と前記レーザダイオードのインピーダンスの整合をとることを特徴とする光送信モジュール。
請求項３記載の光送信モジュールにおいて、前記第１のインピーダンス整合回路は前記レーザダイオードと並列に接続された第１の抵抗であり、前記第２のインピーダンス整合回路は前記レーザダイオードと並列に接続された第２の抵抗であることを特徴とする光送信モジュール。
請求項１乃至４の何れか一つに記載の光送信モジュールにおいて、前記第１のスイッチに第１のインピーダンス整合素子を接続し、前記第２のスイッチに第２のインピーダンス整合素子を接続し、前記第１と第２のインピーダンス整合素子のインピーダンスを同じ値にすることを特徴とする光送信モジュール。
請求項５記載の光送信モジュールにおいて、前記第１のスイッチに接続した抵抗によって前記第２のスイッチにより駆動した電流を終端し、前記第２のスイッチに接続した抵抗によって前記第１のスイッチにより駆動した電流を終端することを特徴とする光送受信モジュール。